低成本接收陣列方向圖測試系統(tǒng)與方法

王 璇

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引 言

傳統(tǒng)的相控陣測試通常有外場[1]、近場[2]、暗室[3]等方法,這些測試方法的弊端包括：需要遠(yuǎn)場條件、干凈的電磁環(huán)境或者復(fù)雜的專用設(shè)備;需要系統(tǒng)各部分完全齊套才能進(jìn)行;各模塊非理想因素疊加,使得問題定位困難,增加故障解決難度,同時降低研發(fā)效率。針對數(shù)字陣列和所使用的波束合成算法的測試系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)階段性的功能和性能評估,有利于技術(shù)研發(fā)并提高系統(tǒng)驗(yàn)證效率,利用陣列信號模擬技術(shù)[4]能夠在不依賴天線、遠(yuǎn)場及暗室條件下實(shí)現(xiàn)該需求。

陣列信號模擬技術(shù)可分為數(shù)字域[5]和模擬域[6]2類。由于雷達(dá)[7]、導(dǎo)航[8]、通信[9]與聲納[10]領(lǐng)域中使用的陣列信號模擬設(shè)備需要模擬多種場景、多制式信號并完成多種功能,因此通常采用實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且成本較高的數(shù)字收發(fā)信道實(shí)現(xiàn)。本文針對接收陣列的方向圖測試功能進(jìn)行了系統(tǒng)簡化設(shè)計,主要采用射頻波束控制器來實(shí)現(xiàn)陣列信號模擬,避免了多通道數(shù)字接收所面臨的同步、復(fù)雜濾波算法實(shí)現(xiàn)等困難,具備低成本、低復(fù)雜度、易于操作等特點(diǎn),特別適合射頻領(lǐng)域的開發(fā)使用。

1 接收陣列方向圖測試平臺與方法

以一維均勻線陣(ULA)為例,N單元陣因子方向圖可以表述為：

(1)

式中：W為幅度加權(quán)向量;d為單元間距;ω為陣列工作的角頻率;c為光速常數(shù);括號內(nèi)第1項為方位角θ方向來波在各單元形成的時延梯度;括號內(nèi)第2項為將波束指向θB時,所需要設(shè)置的波束合成時延梯度。

在討論波束合成算法時,主要討論的是式(1)第2項;而對于本文所討論的通過陣列信號模擬來進(jìn)行方向圖測試,則重點(diǎn)討論的是第1項。

在后面的分析與仿真中,簡化而不失一般性,假定采用單位加權(quán)并假定波束合成指向θB=0°時,式(1)可簡化為：

(2)

在外場或暗室測試方法中,各單元時延梯度是連續(xù)變化的,但采用射頻移相器或射頻時延器來模擬空間來波方向,只能通過量化相位和量化時延來近似。假定來波方向θ時第n個單元對應(yīng)的量化相位P(n,θ)可由(3)式求解：

(3)

式中：Pstep為射頻移相器的量化步進(jìn);round[·]為四舍五入取整;mod[·]為取余數(shù)。

利用式(1)～式(3),圖1所示由上位機(jī)、信號收發(fā)、波束控制器以及待測設(shè)備(DUT)所構(gòu)成的測試系統(tǒng)就能夠完成對接收陣列的方向圖測試。

圖1 測試系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖1中的上位機(jī)主要通過軟件完成對信號收發(fā)、波束控制器以及DUT的控制及數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)流和控制碼通過網(wǎng)絡(luò)接口或串口實(shí)現(xiàn)通信。

信號收發(fā)完成單音或調(diào)制信號產(chǎn)生與接收功能,通過商用的收發(fā)器代替矢網(wǎng)或信號源、頻譜儀能夠降低整個測試系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

波束控制器完成信號分合路以及對每路信號進(jìn)行幅度、相位和時延控制功能,通過使用雙向放大器進(jìn)行增益補(bǔ)償,測試系統(tǒng)能夠收發(fā)雙向使用。

通過Matlab進(jìn)行建模仿真,假定待測設(shè)備是1個N=16的ULA,陣列工作頻率為1 GHz,采樣速率為4 GHz,采樣深度為1 024點(diǎn),方位角一維掃描范圍為-90°～+90°,測試掃描步進(jìn)為1°,計算相位梯度采用無柵瓣半波長單元間距,波束控制器的移相步進(jìn)為22.5°,待測設(shè)備和測試系統(tǒng)校準(zhǔn)完成后殘留隨機(jī)相位差滿足[-Pstep/2,Pstep/2]內(nèi)的均勻分布,16通道仿真取表1所示的值。

表1 各通道的相位失配

圖2 理想方向圖與相位失配方向圖對比

(4)

式中：b為帶寬。

圖3 測試仿真方向圖與相位失配誤差方向圖對比

2 引入隨機(jī)虛擬相移的均值方法與仿真

為了平滑圖3直接測試得到方向圖,對每個來波方向引入M組隨機(jī)虛擬相移(RVPS)Θ(m,n,θ)?？梢约俣ㄔ撓嘁茲M足均值為零、方差為Pstep/2的正態(tài)分布,Θ～N(0,Pstep/2),需要注意的是該虛擬相移只是用于消除系統(tǒng)相關(guān)相位誤差,即式(3)在計算時使用ωndsinθ/c+Θ(m,n,θ),而不是ωndsinθ/c。在得到P(m,n,θ)后,通過式(5)計算得到平均后的陣因子方向圖：

(5)

引入RVPS后的整個測試流程如圖4所示,上位機(jī)控制信號收發(fā)產(chǎn)生ω單音信號,再控制DUT波束合成指向θB方向,生成M組隨機(jī)虛擬相移,對空間來波方向θ進(jìn)行計算并控制波束控制器的各通道,測試得到的原始數(shù)據(jù)流經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)后,得到最大值的幅度和相位并存儲,循環(huán)遍歷測試得到M個幅度和相位,根據(jù)式(5)求平均得到θ方向的相應(yīng)幅度,循環(huán)遍歷方位角空間,最終繪制方向圖。

圖4 基于RVPS的均值方向圖測試流程

依然采用第1節(jié)的仿真參數(shù),同時設(shè)置M=15,對比圖3和圖5可知,引入RVPS的均值測試方法能夠有效減小測試結(jié)果與誤差方向圖的偏離程度,使得遠(yuǎn)旁瓣、零點(diǎn)位置以及調(diào)零深度的測試更加準(zhǔn)確。表2進(jìn)一步對比了波束控制器不同移相步進(jìn),對比直接測試和引入隨機(jī)虛擬相移測試的σmeasure,σmeasure的值明顯減小,驗(yàn)證了方法的有效性。

表2 不同相位步進(jìn)精度下σmeasure對比

圖5 RVPS測試與相位失配誤差方向圖的對比

3 實(shí)測驗(yàn)證

依據(jù)圖1所示框架搭建實(shí)際模擬波束測試系統(tǒng),需要考慮信號收發(fā)方案和波束控制方案。

信號收發(fā)可以采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號源和頻譜儀以及軟件無線電收發(fā)平臺3種方案實(shí)現(xiàn),使用式(5)描述的方法需要2個條件：觸發(fā)可控的發(fā)射正弦信號以及包含幅度和相位信息的接收信號。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀雖然能夠獲得幅相信息,但難以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)控制,而信號源和頻譜儀只能獲得幅度信息,軟件無線電收發(fā)平臺可以通過波形設(shè)計和硬件配置滿足上述2個條件。

波束控制器可以選擇移相、時延、移相結(jié)合時延3種方案實(shí)現(xiàn)。移相器方案的優(yōu)勢是可以跨周期使用,因此陣列尺寸和掃描角度不受限制,但寬帶測試時每個頻率都需要獨(dú)立設(shè)置,測試效率低,同時可選移相器的頻率覆蓋范圍相對較窄;時延方案的優(yōu)點(diǎn)在于寬帶測試效率較高,同時射頻覆蓋范圍較寬,缺點(diǎn)是真時延無法跨周期使用,陣列尺寸和掃描角度受限;移相結(jié)合時延能夠結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn),但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜且成本較高。

實(shí)際搭出的測試系統(tǒng)如圖6所示。綜合考慮實(shí)現(xiàn)成本、便攜性、頻率覆蓋范圍和寬帶測試的需求,選擇基于ADRV9009+ZC706的軟件無線電收發(fā)平臺完成信號收發(fā),該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)75～6 000 MHz的單音信號實(shí)時收發(fā)。采用1入16出、工作頻率覆蓋0.5～6 GHz的時延波控器實(shí)現(xiàn)波束控制,該時延器通道間幅度不一致性<±1 dB,延時置零狀態(tài)下相位不一致<±5°,時延控制8位,時延步進(jìn)為14 ps,最大時延量>7 154 ps。驗(yàn)證待測DUT選擇1個16入1出、工作頻率為0.5～6 GHz的合路器。

圖6 實(shí)際搭建的測試系統(tǒng)

圖7為工作頻率1.8 GHz、單元間距50 mm的16單元ULA方向圖測試結(jié)果,DUT合路器不包含波束掃描功能,因此方向圖主波束指向0°。對比了直接測試方法和平均測試方法,平均測試方法在大角度波動上遠(yuǎn)小于直接測量方法。

圖7 頻率1.8 GHz方向圖對比

圖8為工作頻率3.8 GHz、單元間距30 mm的16單元ULA方向圖測試結(jié)果。同1.8 GHz測試相同,平均方法有效降低了方向圖大角度部分的波動,但3.8 GHz方向圖整體上波動要大于1.8 GHz方向圖。

圖8 頻率3.8 GHz方向圖對比

經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證,圖6所示的系統(tǒng)能夠完成對DUT的方向圖測試,所提出的RVPS方法也能夠降低由于量化所導(dǎo)致的測試波動,但從圖7和圖8的測試結(jié)果看,需要進(jìn)一步討論和改進(jìn)以下2點(diǎn)。

首先,測試系統(tǒng)包含波控器本身性能的影響,一方面,波控器本身存在損耗或增益,得到的法向增益也同理論的10·lg16=12.04有差距;另一方面,波控器通道間幅相不一致性、不同時延態(tài)下的附加損耗和相移都會影響副瓣電平和調(diào)零深度的測試結(jié)果。

其次,量化時延導(dǎo)致方向圖畸變,在高頻影響比在低頻嚴(yán)重,這是由于采用14 ps量化時延,它在1.8 GHz頻率所對應(yīng)的相位誤差為±4.5°,而在3.8 GHz所對應(yīng)的相位誤差為±9.6°,因此圖8所示的方向圖測試結(jié)果要比圖7差。

要改進(jìn)以上2點(diǎn),可以通過使用移相器結(jié)合時延方案代替單純時延線方案來實(shí)現(xiàn),也可以通過減小時延步進(jìn)來實(shí)現(xiàn),但在測試準(zhǔn)確度和精確度提升的同時,也增加了測試系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

所提出的測試系統(tǒng)特點(diǎn)是容易搭建且軟件工作量少,主要適用于低成本的快速評估陣列性能和算法,如果需要高精度的測試,采用數(shù)字實(shí)現(xiàn)的陣列信號模擬器可能是更好的選擇[5]。

4 結(jié)束語

提出了一種低成本的接收陣列方向圖測試系統(tǒng)提高測試精度的方法。該系統(tǒng)不依賴外場條件與陣列的物理排布,能夠適應(yīng)數(shù)字陣列體制和模擬陣列體制的收發(fā)測試,適合用于評估射頻與數(shù)字鏈路、波束合成以及干擾調(diào)零等性能。本文對于提高數(shù)字陣列研發(fā)效率和降低測試復(fù)雜度具有一定的工程價值。